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史瓦西黑洞和克尔-纽曼黑洞等

  史瓦西黑洞是1916年由史瓦西提出来的,史瓦西黑洞的设定是不带电不自旋转的黑洞,黑洞中心为奇点,黑洞的外圈为事件穹界又称史瓦西半径;时空里可能发生的事件到了事件穹界上,就好像面临了穹端极界,停滞不变了,对外部的观察者看来,时间好像停止不动了。对于一个静止不带电的史瓦西黑洞,它的周围时空可以利用史瓦西度规描述史瓦西黑洞的区间微分平方。

  史瓦西黑洞就是所谓“寻常黑洞”,它是直接由较大的恒星演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽,辐射压(光压)急剧减弱,星体在其自身引力的作用下坍缩。若质量(指原恒星的质量)大于8倍的太阳,其产物就是黑洞。在宇宙空间里,此类黑洞具多数,其最大质量一般不超过50倍太阳。

  史瓦西半径是任何具重力的质量之临界半径。在物理学和天文学中,尤其在万有引力理论、广义相对论中它是一个非常重要的概念。1916年史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在,他发现这个半径是一个球状对称、不自转的物体的重力场的精确解。一个物体的史瓦西半径与其质量成正比。太阳的史瓦西半径约为3千米,地球的史瓦西半径只有约9毫米。小于其史瓦西半径的物体被称为黑洞。在不自转的黑洞上,史瓦西半径所形成的球面组成一个视界(自转的黑洞的情况稍许不同)。光和粒子均无法逃离这个球面,银河中心的超大质量黑洞的史瓦西半径约为780万千米,一个平均密度等于临界密度的球体的史瓦西半径等于可观察宇宙的半径。

  广义相对论认为,黑洞是大质恒星坍缩的必然结果。恒星是依靠内部不断进行的核聚变产生的辐射压与物质间引力维持平衡的。随着核燃料的逐渐减少,平衡被打破,恒星在引力作用下坍缩,其中质量大于太阳质量3.2倍的恒星将坍缩为黑洞。大质量星,尺度远大于史瓦西半径,光线几乎没有偏转,从恒星表面某一点发出的光刻一朝任意方向直接射出。表示随着恒星半径减小。时空弯曲度增大,光线弯曲,出射光线会像喷泉中的水一样回落恒星表面,远处观测着只能偶然看到少数逃逸出来的光子。表示随着引力坍缩继续发展,光的“逃逸锥”不断缩小。恒星尺度减至史瓦西半径时,所有光线均被捕获,逃逸锥关闭,黑洞形成。史瓦西黑洞时不带电的球对称恒星坍缩形成的黑洞。

  从数学上来说,史瓦西黑洞就是其外部的引力场符合史瓦西解的黑洞。史瓦西研究的是在绝对真空中完全球对称的,在塌缩过程中没有丝毫物质异动,不带电荷,没有丝毫旋转的,标准理想化恒星的塌缩过程,以及它内外时空的场方程解。

  史瓦西黑洞,是寻常黑洞的发祥地,它有一个视界和一个奇点。

  视界,是物体能否回到外部宇宙的分界面,在视界外面,物体可以离开或者接近黑洞而保持安全。而在视界上,只有光速运动的物体可以保持不进入黑洞,但是连光也无法从这个面中逃脱。如果不幸进入了视界内部,那么就再也无法出来或者和任何人联络了。此外,视界也是时间和空间属性颠倒的地方,在视界内,空间是类时的,时间是类空的。

  奇点,是黑洞奇异性的来源,也就是黑洞中允许相对论和量子理论同时大规模作用于同一个物体的源泉。任何接触到奇点的物质(包括场)必然被奇点摧毁,被分解为纯粹的基本粒子和时空单体,即使是形成这个黑洞、这个视界、这个奇点的恒星,也将被它摧毁而不再对黑洞产生任何影响。

  自从史瓦西给出了爱因斯坦场方程的解以后,许多种类的黑洞模型先后被科学家从爱因斯坦场方程的框架下产生出来,所提出的黑洞类型,俨然形成了一个黑洞家族。其中,最为寻常的是史瓦西黑洞,它是被研究讨论的首要成员。

  一个物体的史瓦西半径与其质量呈正比,其比例常数中仅有万有引力常数和光速出现。史瓦西半径的公式,其实是从物件逃逸速度的公式衍生而来。它将物件的逃逸速度设为光速,配合万有引力常数及天体质量,便能得出其史瓦西半径。

  超大质量黑洞:

  假如一个天体的密度为1000千克/立方米(水在普通条件下的密度),而其质量约为1.5亿个太阳质量的话,它的史瓦西半径会超过它的自然半径,这样的黑洞被称为是超大质量黑洞。绝大多数今天观察到的黑洞的迹象来自于这样的黑洞。一般认为它们不是由星群收缩碰撞造成的,而是从一个恒星黑洞开始不断增长、与其它黑洞合并而形成的。一个星系越大其中心的超大质量黑洞也越大。

  恒星黑洞:

  假如一个天体的密度为核密度(约1018千克/立方米,相当于中子星的密度)而其总质量在太阳质量的三倍左右则该天体会被压缩到小于其史瓦西半径,形成一个恒星黑洞。

  微黑洞:

  小质量的史瓦西半径也非常小。一个质量相当于喜马拉雅山的天体的史瓦西半径只有一纳米。暂时没有任何可以想象得出来的原理可以产生这么高的密度。一些理论假设宇宙产生时会产生这样的小型黑洞。

  黑洞是广义相对论预言的一种特殊的天体。其基本特征是有一个封闭的视界。任何东西,包括光在内,只要进入视界以内都会被吞噬掉。

  黑洞的概念最早出现是1798年,当时拉普拉斯根据牛顿力学计算出,一个直径为太阳250倍而密度与地球一样的天体,其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体。1939年,奥本海默根据广义相对论证明一个无压球体在自身引力作用下能坍缩到引径rg。rg=2GM/(c*c)当天体的质量M大于临界质量Mc时,引力坍塌后就不可能达到任何的稳态,只能形成黑洞。黑洞只有三个特征量分别是质量M、角动量J和电荷Q。Q=0的黑洞为轴对称的克尔黑洞,J=Q=0时的黑洞为球对称的史瓦西黑洞。

  1974年,霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射,称为黑洞的发射。黑洞的质量越大,温度越低,发射过程就越慢,反之亦然。

  找寻黑洞是当代天文学的一个重要课题。银河系内的恒星级黑洞候选者有天鹅座X-1等。另外天文学家们还发现大星系的中心通常会隐匿着一个百万太阳质量以上的巨型黑洞。如在超巨星系M87的中心就很可能隐匿着质量达30亿个太阳的黑洞。而按照大爆炸学说,在宇宙形成早期可能会产生一些质量为10的15次方克的小黑洞。

  克尔黑洞是爱因斯坦场方程预言下的一类带有角动量的黑洞,是二种旋转黑洞中的一种。用来描述克尔黑洞的时空度规叫做克尔度规,是由新西兰数学家克尔于1963年解出的。另一种是同时带有角动量和电荷的黑洞,叫做克尔-纽曼黑洞。相比于静态的史瓦西黑洞,克尔黑洞更接近于实际物理上的黑洞,因为大多数恒星都具有一定的自转角动量,当它们坍缩成黑洞时仍然会保留部分角动量。2006年天文学家对银河系内的X射线双星GRS 1915+105的观测表明,其中的黑洞可能在以每秒1150次的频率高速自转,已经接近了理论上的极限。

  黑洞是根据广义相对论所预言、在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体(非一个“洞”)。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后,发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大,它产生的引力场是如此之强,以致于任何物质和辐射都无法逃逸,就连传播速度最快的光(电磁波)也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名黑洞。在黑洞的周围,是一个无法侦测的事件视界,标志着无法返回的临界点。

  当质量比太阳多出30倍以上的星体发生超新星爆炸时,中子之间强烈的互相排斥力量无法抵挡外界推挤力量,将中子星挤压成更高密度状态,同时在没有其他力量足以抵挡如此强大压力的情况下,整个星球会不断地缩小,最终形成“黑洞”。

  1915年12月,在爱因斯坦发表广义相对论1个月后,德国天文学家史瓦西即得到爱因斯坦场方程的精确解,能够对于点质量与球形质量所产生的引力场给出描述,这包括史瓦西度规和史瓦西半径等等概念,该精确解算出,如果某天体全部质量都压缩到很小的“引力半径”范围之内,所有物质、能量(包括光线)都被囚禁在内,从外界看,这天体就是绝对黑暗的存在,也就是“黑洞”。

  目前公认的理论认为,黑洞只有三个物理量可以测量到:质量、电荷、角动量。也就是说:对于一个黑洞,一旦这三个物理量确定下来了,这个黑洞的特性也就唯一地确定了,这称为黑洞的无毛定理,或称作黑洞的唯一性定理。另一方面,黑洞一旦形成,则在黑洞形成之前两其他物理信息即告丢失,黑洞上不存在如立方体、椎体或其他有凸起的形态,这是黑洞无毛定理的另一种理解方法。然而,在1974年,霍金结合量子力学和相对力学的理论,指出,黑洞并非全黑——黑洞能够辐射,这就是著名的霍金辐射。Parikh和Wilczek认为,黑洞的霍金辐射的确可以看成是一种量子效应,但辐射粒子贯穿的势垒不是预先存在的,而是由出射粒子自身产生的,他们的研究结果支持信息守恒。霍金后来称,黑洞从来都不会完全关闭自身,他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量,随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。

  但是这个定理却只是限制了经典理论,没有否认可能有其他量子荷的存在,所以黑洞可以和大域单极或是宇宙弦共同存在,而带有大域量子荷。黑洞具有潮汐力,越小的黑洞潮汐力越大,反之,越大的黑洞潮汐力越小,旋转的黑洞有内视界和外视界,并会有一个奇异环,一切越过视界的东西最终都会落向奇点,越大的黑洞从视界到奇点所花的时间越长。

  根据霍金的理论,黑洞质量越小,蒸发越快。质量非常小的原初黑洞可能已经蒸发或即将蒸发,而恒星坍塌形成的黑洞的蒸发时标一般长于宇宙时间。天文学家期待能观测到某些原初黑洞最终蒸发时发出的高能伽玛射线。

  黑洞无法直接观测,但可以借由间接方式得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出紫外线和X射线的“边缘讯息”,可以获取黑洞的存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行黑洞轨迹,来取得位置以及质量。

  黑洞是天文物理史上,最引人注目的题材之一,在科幻小说、电影等经常可见将黑洞作为素材。迄今为止,黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数研究者所认同,天文界并不时提出于宇宙中观测发现到已存在的黑洞。

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来自:矿泉水412  > 散文
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